JP6514611B2 - ガス充填方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスをタンクに充填するガス充填方法に関する。

燃料電池車両は、含酸素の空気と燃料ガスである水素ガスとを燃料電池に供給し、これによって発電した電力を利用して電動機を駆動することにより走行する。近年、このような燃料電池を、動力を発生するためのエネルギー源として利用した燃料電池車両の実用化が進められている。燃料電池で発電するには水素ガスが必要となるが、近年の燃料電池車両では、高圧タンクや吸蔵合金を備えた水素タンク内に予め十分な量の水素ガスを貯蔵しておき、走行にはタンク内の水素ガスを利用するものが主流となっている。また、これに合わせて、タンク内にできるだけ多くの量の水素ガスを速やかに充填する充填技術に関する研究も盛んに進められている。

タンクに水素ガスを充填するとタンク内の圧力や温度が上昇するが、この際の上昇態様は主にタンクの種類、特に容積と強い相関がある。ここで一般的な方法でガスを充填する場合、より具体的には、充填するガスを冷却するプレクールシステムを備えた水素ステーションにおいて圧力上昇率を一定にしながらガスを充填する場合について検討する。この場合、比較的容積の大きな水素タンクでは充填中の温度の上昇は緩やかになるのに対し、比較的容積の小さな水素タンクでは、充填中に配管のヒートマスの影響を受けやすいので充填中の温度の上昇は急になる。したがって、車両のタンクに水素ガスを速やかに充填するためには、水素ガスの供給側すなわちステーション側において、車両に搭載されているタンクの容積を、できるだけ正確にかつ速やかに取得する技術が必要となる。

非特許文献１には、容積が未知のタンクに対して試験的に少量の水素ガスを充填し、この際のタンク内の状態の変化からタンクの容積を推定する方法が示されている。より具体的には、非特許文献１の技術では、水素ガスを所定量充填する前後におけるタンク内の圧力の上昇幅を用いることによってタンクの容積を推定する方法が示されている。この方法では、水素ガスを試験的に充填する前と後でタンク内の圧力を取得する必要がある。また近年の燃料電池車両では、タンク内の圧力や温度を検出するセンサが搭載されている。従って非特許文献１の推定方法をステーションに適用し、ステーション側で車両のタンクの容積を推定しようとすると、ステーションは、車両との通信を利用してタンク内の圧力の上昇幅を取得することになる。

図１５は、タンク内の圧力の上昇幅を用いて既知の方法によってタンクの容積を推定した場合に、各種センサが容積の推定結果に及ぼす誤差の大きさ及び内訳を示す図である。図１５において横軸はタンク内の圧力の上昇幅（すなわち、試験的に充填する水素ガスの量に相当）であり、縦軸は誤差の絶対値である。

先ず、上述の非特許文献１の方法のように、タンク内の圧力の上昇幅によってタンクの容積を推定する場合、水素ガスの質量流量を検出する質量流量計（通常、ステーションに設けられる）、大気の温度を検出する大気温度センサ（通常、ステーションに設けられる）、及びタンク内の圧力を検出するために配管に設けられる圧力センサ（通常、ステーションに設けられる）等の様々なセンサが設けられる。図１５において模様を変えて示すように、タンクの容積の推定結果は、質量流量計のオフセット誤差、大気温度センサのオフセット誤差、圧力センサのオフセット誤差、及び圧力系ヒステリシス誤差による影響を受ける。ここで圧力系ヒステリシス誤差とは、圧力センサのオフセット誤差以外の誤差、圧力センサの出力信号のＡ／Ｄ変換によって生じる誤差、及び配管に設けられる逆止弁の開弁差圧のばらつきに起因する誤差等であり、何れも誤差の符号が測定の都度どちらになるか分からないヒステリシス性のものである。

図１５に示すように、これら４つの誤差の中では、圧力系ヒステリシス誤差がタンク容積の推定結果に最も大きな影響を及ぼす。またこの圧力系ヒステリシス誤差はタンク内の圧力変化量に概ね反比例する。これは、タンク内の圧力の上昇幅が大きくなるほどタンクの容積を精度良く推定できることを意味する。換言すれば、タンクの容積を精度良く推定するためには、タンク内の圧力の上昇幅ができるだけ大きくなるように、試験的に充填する水素ガスの量をできるだけ多くする方が好ましい。

丸山晋一、「ＦＣＶタンクの容積推定」、第１９回燃料電池シンポジウム講演予稿集、第２８６〜２８９頁

ところで、ステーションにおいてタンクに水素ガスを充填する際には、リークチェックと呼称される検査を定期的に行うことがある。このリークチェックとは、水素ガスの充填を一時的に停止し、水素ガスの漏れの有無を判定する検査をいう。またこのリークチェックを行うタイミングは、圧力の上昇幅によって定められている。より具体的には、リークチェックは、所定箇所における圧力が所定の起点（例えば、充填開始時や、リークチェック実行時）から規則によって定められた所定の上限圧ΔＰｍａｘ（より具体的には、例えば２０ＭＰａ）だけ上昇するまでの間に行うこととされている。

ここで、非特許文献１に例示されるようなタンク容積推定方法は、上述のように一定期間にわたる水素ガスの充填を伴う。またリークチェックを行う場合、一時的に充填を停止する必要がある。そうすると、ステーションにおいて上記タンク容積推定方法を利用して未知のタンクの容積を推定するには、ステーションから水素ガスの本充填を開始してから初めてのリークチェックを行うまでの間の充填を利用することが合理的であると言える。すなわち、充填開始時を起点として、この起点から初回のリークチェックを行うために水素ガスの充填を一時的に停止するまでの間におけるタンク内の状態の変化を利用してタンクの容積を推定し、初回のリークチェック以降は推定したタンクの容積を用いて水素ガスの充填を行うことにより、未知のタンクに対しても速やかに水素ガスを充填できると考えられる。またこのように初回のリークチェックのタイミングとタンクの容積を推定するタイミングとを一致させることにより、ステーション側では流量制御弁を開閉する回数を最小限にできる。

また図１５を参照して説明したように、精度良く容積を推定するためには、所定の起点からの圧力上昇幅はできるだけ大きくすることが好ましい。そうすると、初回のリークチェックまでの期間を利用してタンクの容積を推定する場合、その推定精度を最大限向上するためには、許容される範囲内で圧力をできるだけ高くした状態で充填を一時的に停止し、初回のリークチェックに移行することが好ましい。

これを実現するためには、起点となる時点におけるタンク内の圧力を“Ｐｉ”とした場合、これに上限を加えた目標圧（Ｐｉ＋ΔＰｍａｘ）にタンク内の圧力が精度良く一致するように、ステーション側では水素ガスの供給を停止させる必要がある。しかしながら水素ガスを供給している間は、ステーションとタンクとを接続する配管によって圧力損失が発生する。このためステーションは、水素ガスを供給しながらタンク内の圧力を直接把握することはできないので、タンク内の圧力が目標圧に一致するように適切なタイミングで水素ガスの供給を停止することは困難である。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、未知のタンクの容積の推定精度を向上することを最終的な目標とし、これを実現するためにタンク内の圧力が所定の目標に一致するように適切なタイミングでガスの供給を停止できるガス充填方法を提供することを目的とする。

（１）ガス充填方法は、ガスを貯蔵するタンク（例えば、後述の水素タンク３１，３２，３３）とガスの供給源（例えば、後述の水素ステーション９の蓄圧器９１）とを配管（例えば、ステーション配管９３及び車両配管３５等）で接続し、前記タンク内にガスを充填するものであって、ガスの供給開始前に前記配管の前記供給源側の圧力である開始前上流圧力を取得する開始前上流圧取得工程と、前記開始前上流圧力を取得した後に前記供給源からのガスの供給を開始する供給開始工程と、ガスの供給開始後に前記配管の前記供給源側の圧力である開始後上流圧力を取得する開始後上流圧取得工程と、前記開始後上流圧力の取得時期と同時期におけるガスの流量である開始後流量を取得する開始後流量取得工程と、前記開始前上流圧力、前記開始後上流圧力及び前記開始後流量を用いて、ガスの供給時に前記配管で発生する圧力損失を推定する圧力損失推定工程と、前記圧力損失を用いて前記タンク内の圧力であるタンク圧が所定の目標圧に一致するようにガスの供給を停止する供給停止工程と、を備える。

（２）この場合、前記ガス充填方法は、前記圧力損失を用いてガスの供給中における前記タンク内の圧力であるタンク圧を推定するタンク圧推定工程と、前記ガスの供給を停止した後に、前記タンクの容積を推定する容積推定工程と、をさらに備えることが好ましい。

（３）この場合、前記供給停止工程では、ガスの供給中における前記供給源側の上流圧が前記目標圧の近傍に到達した後、前記上流圧を前記目標圧に維持しながら前記タンク圧が前記目標圧の近傍に到達するまでガスの供給を継続することが好ましい。

（４）この場合、前記供給停止工程では、前記タンク圧が前記目標圧の近傍に到達した時にガスの供給を停止することが好ましい。

（５）この場合、前記ガス充填方法は、ガスの供給停止前に前記配管の前記供給源側の圧力である停止前上流圧力を取得する停止前上流圧取得工程と、ガスの供給停止後に前記配管の前記供給源側の圧力である停止後上流圧力を取得する停止後上流圧取得工程と、前記停止前上流圧力の取得時期と同時期におけるガスの流量である停止前流量を取得する停止前流量取得工程と、前記停止前上流圧力、前記停止後上流圧力及び前記停止前流量を用いて、ガスの供給時に前記配管で発生する圧力損失を推定する停止時圧力損失推定工程と、をさらに備えることが好ましい。

（６）この場合、前記開始後上流圧取得工程では、ガスの流量が０から所定の目標流量に到達するまでの間の２以上の異なる取得時期において前記開始後上流圧力を取得し、前記開始後流量取得工程では、前記各取得時期と同時期において前記開始後流量を取得し、前記圧力損失推定工程では、前記開始前上流圧力と、前記各取得時期に取得した前記開始後上流圧力及び前記開始後流量と、を用いて、ガスの供給時に前記配管で発生する圧力損失を推定することが好ましい。

（７）この場合、前記ガス充填方法は、前記タンクが搭載された車両から当該タンクの容積情報を受信する情報受信工程をさらに備え、前記供給開始工程においてガスの供給を開始してから前記供給停止工程においてガスの供給を停止するまでの間は、前記情報受信工程で受信した容積情報を用いてガスの流量を制御し、前記供給停止工程においてガスの供給を停止した後、再びガスの供給を開始した後は、前記容積推定工程で推定した容積情報を用いてガスの流量を制御することが好ましい。

（８）この場合、前記ガス充填方法は、前記開始前上流圧取得工程を行う前に前記タンクが所定容積以下の小タンクであるか否かを判定する小タンク判定工程をさらに備え、前記開始前上流圧取得工程、前記供給開始工程、前記開始後上流圧取得工程、前記開始後流量取得工程、前記圧力損失推定工程、及び前記供給停止工程は、前記小タンク判定工程において前記タンクが前記小タンクでないと判定された場合に実行し前記タンクが前記小タンクであると判定された場合には実行しないことが好ましい。

（９）この場合、前記小タンク判定工程では、所定期間にわたり所定の質量又は質量流量でガスを供給した時の前記配管の前記供給源側の圧力である供給源側の圧力の上昇幅を取得し、前記上昇幅が所定幅より大きい場合には前記タンクは前記小タンクであると判定し、前記上昇幅が前記所定幅以下である場合には前記タンクは前記小タンクでないと判定することが好ましい。

（１０）この場合、前記ガス充填方法は、前記圧力損失推定工程の後、前記圧力損失を用いて前記タンクが所定容積以下の小タンクであるか否かを判定する小タンク判定工程をさらに備え、前記供給停止工程は、前記小タンク判定工程において前記タンクが前記小タンクでないと判定された場合に実行し、前記タンクが前記小タンクであると判定された場合には実行しないことが好ましい。

（１１）ガス充填方法は、ガスを貯蔵するタンクとガスを供給する供給源とを配管で接続し、前記タンク内にガスを充填するものであって、前記供給源からのガスの供給を開始する供給開始工程と、ガスの供給停止前に前記配管の前記供給源側の圧力である停止前上流圧力を取得する停止前上流圧取得工程と、前記停止前上流圧力の取得時期と同時期におけるガスの流量である停止前流量を取得する流量取得工程と、前記停止前上流圧力を取得した後に前記供給源からのガスの供給を停止する一時停止工程と、ガスの供給停止後に前記配管の前記供給源側の圧力である停止後上流圧力を取得する停止後上流圧取得工程と、前記停止前上流圧力、前記停止後上流圧力及び前記停止前流量を用いて、ガスの供給時に前記配管で発生する圧力損失を推定する圧力損失推定工程と、前記圧力損失を用いて前記タンク内の圧力であるタンク圧が所定の目標圧に一致するようにガスの供給を停止する供給停止工程と、を備える。

（１２）ガス充填方法は、ガスを貯蔵するタンクとガスを供給する供給源とを配管で接続し、前記タンク内にガスを充填するものであって、前記供給源からのガスの供給を開始する供給開始工程と、ガスの供給中に前記配管の前記供給源側の圧力である上流圧力を取得する上流圧取得工程と、前記上流圧が前記タンク内の圧力であるタンク圧に対して設定された所定の目標圧の近傍に到達した後、当該上流圧を前記目標圧に維持しながら所定時間にわたりガスを供給し続ける上流圧一定充填工程と、を備える。

（１３）この場合、前記ガス充填方法は、前記上流圧一定充填工程を行った後、ガスの流量を所定の最小流量で維持しながら所定時間にわたりガスの供給を継続してから前記供給源側からのガスの供給を停止する最小圧損充填工程をさらに備えることが好ましい。なおこの発明において「最小流量」とは、具体的には、供給源とタンクとを接続する配管に設けられる逆止弁が開いた状態で維持される程度以上であり、かつ供給源側で用いられている装置で安定した流れ（ほぼ一定の流量）を保てる程度の大きさをいう。

（１）本発明では、ガスの供給開始前の開始前上流圧力と、ガスの供給開始後の開始後上流圧力と、開始後上流圧力の取得時期と同時期における開始後流量と、の供給開始前後における３つの物理量を取得し、これらを用いてガスの供給時に配管で発生する圧力損失を推定する。さらに本発明では、ガスの供給開始後に推定した圧力損失を用いることにより、供給源側では直接取得することができないタンク圧が目標圧に一致するように、適切なタイミングでガスの供給を停止することができる。このように本発明では、ガスの供給開始の前と後における物理量を用いて圧力損失を推定することによって早期に圧力損失を取得できるので、ここで取得した圧力損失をガスの供給を停止するタイミングを決定する際に用いることができる。また圧力損失を推定するにあたって取得する物理量は上流圧力とガスの流量であり、何れも供給源側に設けられているセンサで測定できる物理量であるので、圧力損失を推定するために特別な装置を設けたり処理を行ったりする必要がない。

（２）本発明では、ガスの供給開始後に圧力損失を推定し、これを用いてガスを供給している間におけるタンク圧を推定し、推定したタンク圧が目標圧に一致するようにガスの供給を停止し、さらにガスの供給を停止した後にタンクの容積を推定する。本発明では、圧力損失の推定を経ることにより、直接取得できないタンク圧を目標圧まで精度良く上昇させてから容積を推定できる。これにより本発明では、タンクの容積を推定するにあたり図１５を参照して説明したセンサの誤差を極力小さくできるので、タンクの容積を精度良く推定することができる。

（３）本発明では、上流圧がタンク圧の目標に相当する目標圧の近傍に到達した後、この上流圧を目標圧に維持しながらタンク圧が目標圧に到達するまでガスの供給を継続する。ガスの供給中は、配管において発生する圧力損失に相当する分だけタンク圧は上流圧よりも低くなる。したがって上述のように上流圧を目標圧で一定にしながら充填を継続すると、ガスの流量を減少させながらタンク圧が目標圧に収束する。これにより、タンク圧を目標圧に精度良く一致させながらガスの充填を停止することができる。また配管には逆止弁が設けられるが、この逆止弁の作動圧にはばらつきがある。このため供給装置側の流量制御弁を閉め切ったとしても、逆止弁の作動圧のばらつきに起因して実際のタンク圧が目標からずれてしまう場合がある。これに対し本発明では、ガスの流量は小さな開度に維持されながら、すなわち逆止弁が開いた状態が維持されたままタンク圧を目標圧に徐々に近づけることができる。

（４）本発明では、圧力損失を用いて推定したタンク圧が目標圧の近傍に到達した時にガスの供給を停止する。本発明によれば、ガスの供給を停止するに当り、上記（３）の発明のようにガスの流量を徐々に０にする必要がないので、その分だけタンク圧を目標圧まで上昇させる時間を短縮することができる。

（５）上述のように本発明では、ガスの供給を開始する前後で取得される物理量を用いることによって圧力損失を推定する。本発明では、これに加えてガスの供給を停止する前後で取得される停止前上流圧力、停止後上流圧力、及び停止前流量を用いることによって圧力損失を推定する。本発明では、このようにガスの供給開始時だけでなく供給停止時においても圧力損失を推定することにより、その推定精度をさらに向上できる。

（６）本発明では、ガスの流量が０から所定の目標流量に到達するまでの間の複数の異なる取得時期において開始後上流圧力及び開始後流量を取得し、これらを用いて圧力損失を推定することにより、圧力損失の推定精度を向上することができる。

（７）本発明では、供給開始工程においてガスの供給を開始してから、その後供給停止工程においてタンク圧が目標圧に一致するようにガスの供給を停止するまで、すなわちタンクの正確な容積を把握できていない初期充填の間は、車両から送信される容積情報を用いてガスの流量を制御する。これにより、初期充填にかかる時間をできるだけ短くすることができる。

（８）上述のようにタンクの容積を精度良く推定するためには、タンク圧を所定の目標圧に精度良く一致させる必要がある。また図１５を参照して説明したように、センサの誤差を小さくするには、目標圧はある程度大きく設定されている必要がある。換言すれば、タンクの容積を精度良く推定するためには、その正確な容積が不明なままある程度のガスを試験的に充填する必要がある。一方、タンクの容積が小さいと、ガスの供給によってタンク圧や温度が速やかに上昇してしまうため、十分な量のガスを試験的に供給することができず、上記開始前上流圧取得工程等を実行することは適切でない。そこで本発明では、初めにタンクが所定容積以下の小タンクであるか否かを大まかに判定した上で、小タンクでない場合のみ上記複数の工程を実行する。このように小タンクを排除することにより、目標圧を十分に大きな値に設定することができるので、タンクの容積の推定精度を向上することができる。

（９）本発明では、所定期間にわたりガスを供給した時の圧力の上昇幅を用いることにより、特別な装置を用いることなく未知のタンクが小タンクであるか否かを速やかに判定することができる。

（１０）上述のように本発明ではガスの供給開始の前と後における物理量を用いて圧力損失を推定することによって、ガスの供給を開始した後、直ちに圧力損失を取得することができる。また取得した圧力損失を用いればガスを供給しながらタンク内の圧力を推定することができるので、現在接続されているタンクが小タンクであるか否かを大まかに判定することができる。本発明では、圧力損失推定工程の後、ガスの供給開始後に取得した圧力損失を用いて小タンクであるか否かを大まかに判定した上で、小タンクでない場合のみ供給停止工程を実行する。このように小タンクを排除することにより、目標圧を十分に大きな値に設定することができるので、タンクの容積の推定精度を向上することができる。また上記（８）の発明と比べれば、充填にかかる時間を短くすることができる。

（１１）本発明では、ガスの供給停止前の停止前上流圧力と、この停止前上流圧力の取得時期と同時期における停止前流量と、ガスの供給停止後の停止後上流圧力と、の供給停止前後における３つの物理量を取得し、これらを用いてガスの供給時に配管で発生する圧力損失を推定する。さらに本発明では、ガスの供給停止後に推定した圧力損失を用いることにより、直接取得することができないタンク圧が目標圧に一致するように、適切なタイミングでガスの供給を停止することができる。また圧力損失を推定するにあたって取得する物理量は上流圧力とガスの流量であり、何れも供給装置側に設けられているセンサで測定できる物理量であるので、圧力損失を推定するために特別な装置を設けたり処理を行ったりする必要がない。

（１２）上流圧を一定に維持しながらガスを供給し続けると、下流圧であるタンク圧が上昇し、上流圧とタンク圧の圧力差が小さくなる。またこのようにして上流圧とタンク圧の圧力差が０に近付くに従い、ガスの流量も漸近的に０へ近づく。またガスの流量が０へ近づくに従い、ガスが配管を流れることによって発生する圧力損失も漸近的に０へ近づく。本発明ではこれを利用して、上流圧がタンク圧に対して設定された目標圧の近傍に到達した後、上流圧を目標圧に維持しながらガスを供給し続ける上流圧一定充填工程を行う。したがって本発明によれば、上記（１）や（１０）の発明のように圧力損失の推定を経ずに、タンク圧をその目標圧に一致させることができる。

（１３）供給装置とタンクとを接続する配管には逆止弁が設けられるが、この逆止弁の作動圧にはばらつきがある。このため、タンク圧が目標圧になるようなタイミングで供給装置側の流量制御弁を閉め切り、ガスの供給を完全に停止しても、逆止弁の作動圧のばらつきに起因して実際のタンク圧が目標圧からずれてしまう場合がある。これに対し本発明では、上流圧一定充填工程を行い、タンク圧を目標圧にある程度近づけた後は、ガスの流量を最小流量で維持しながら所定時間にわたりガスを供給し続ける最小圧損充填工程を行う。これにより、逆止弁の作動圧のばらつきを抑制し、さらに高い精度でタンク圧を目標圧に一致させることができる。また上流圧一定充填工程を行うと、上述のようにガスの流量は漸近的に０へ近づくため、タンク圧を目標圧に収束させるには時間がかかってしまう。これに対し本発明では、上流圧一定充填工程を所定時間にわたって行い、タンク圧を目標圧にある程度近づけてから上記最小圧損充填工程を行うことにより、タンク圧を目標圧に近づけつつ充填にかかる時間を短くできる。

本発明の第１実施形態に係る水素ガス充填方法が適用された水素充填システムの構成を示す図である。 本実施形態に係る水素ガス充填方法の具体的な手順を示すフローチャートである。 図２のフローチャートに従って水素ガスを充填した場合におけるステーション圧及びタンク圧の時間変化を示すタイムチャートである。 圧力損失を推定する手順を説明するための図である。 圧力損失を推定する手順を説明するための図である（変形例１）。 ステーション圧一定充填の手順を説明するための図である（変形例２）。 圧力損失を推定する手順を説明するための図である（変形例３）。 水素ガス充填方法の具体的な手順を示すフローチャートである（変形例４）。 図８のフローチャートに従って水素ガスを充填した場合におけるステーション圧及びタンク圧の時間変化を示すタイムチャートである（変形例４）。 水素ガス充填方法の具体的な手順を示すフローチャートである（変形例５）。 本発明の第２実施形態に係る水素ガス充填方法の具体的な手順を示すフローチャートである。 図１１のフローチャートに従って水素ガスを充填した場合におけるステーション圧及びタンク圧の時間変化を示すタイムチャートである。 本発明の第３実施形態に係る水素ガス充填方法の具体的な手順を示すフローチャートである。 図１３のフローチャートに従って水素ガスを充填した場合におけるステーション圧及びタンク圧の時間変化を示すタイムチャートである。 各種センサが容積の推定結果に及ぼす誤差の大きさ及び内訳を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る水素ガス充填方法が適用された水素充填システムＳの構成を示す図である。水素充填システムＳは、水素ガスを燃料ガスとして走行する燃料電池車両Ｖと、この車両Ｖの水素タンクに水素ガスを供給する供給装置としての水素ステーション９と、を組み合わせて構成される。以下では、始めに車両Ｖ側の構成について説明し、次に水素ステーション９側の構成について説明する。

＜燃料電池車両Ｖの構成＞
燃料電池車両Ｖは、水素ステーション９から供給された水素ガスを貯蔵する水素タンクシステム３と、水素タンクシステム３に関する情報を含んだデータ信号を生成する充填演算ＥＣＵ６と、充填演算ＥＣＵ６で生成したデータ信号を水素ステーション９へ送信する赤外線送信器５と、を備える。なお図１には、車両Ｖのうち、車体や、水素タンクシステム３に貯蔵された水素ガスを用いて発電する燃料電池システムの構成や、燃料電池システムによって発電した電力を利用して車体を移動させる駆動系等の構成については図示を省略する。

水素タンクシステム３は、水素ガスを貯蔵する複数（例えば、３つ）の水素タンク３１，３２，３３と、水素ガスの充填時に水素ステーション９のノズルが接続されるレセプタクル３４と、このレセプタクル３４と各水素タンク３１〜３３とを接続する車両配管３５と、各水素タンク３１〜３３内の温度を検出する温度センサ３６，３７，３８と、水素タンク３１〜３３内の圧力を検出する圧力センサ３９と、を備える。充填時に水素ステーション９から圧送される水素ガスは、この車両配管３５を介して各水素タンク３１〜３３内へ充填される。

またこれら水素タンク３１，３２，３３には、それぞれ元弁３１ａ，３２ａ，３３ａが設けられている。例えば車両Ｖの走行中である場合には、図示しない燃料電池システムに水素タンク３１〜３３内に貯蔵された水素ガスを供給するため、これら元弁３１ａ〜３３ａは開かれる。またこれら元弁３１ａ〜３３ａは、それぞれ車両Ｖのメンテナンス時を考慮して、作業者が手動で開閉できるようになっている。ここで、何らかの理由によって元弁が閉じられたまま水素ステーション９から水素ガスが充填される場合があり得るが、このような場合には、車両Ｖから水素ステーション９へ送信される後述の容積送信値Ｖ_ＩＲと実際の水素タンクの容積との間でずれが生じることになる。

なお以下では、単に「水素タンク」という場合、図１の車両Ｖのように複数の水素タンク３１〜３３を備えるものについては、これら複数の水素タンク３１〜３３を組み合わせて仮想的に構成される単一の水素タンクを指すものとする。各水素タンクには、ほぼ同じ条件下で水素ガスが充填されることから、水素タンクは、単一であるものと仮定しても差支えない。

各温度センサ３６〜３８は、各水素タンク３１〜３３内の水素ガスの温度を検出し、検出値に対応した信号を通信演算ＥＣＵ６に送信する。また圧力センサ３９は、車両配管３５のうち水素タンク３１の圧力を検出し、検出値に対応した信号を通信演算ＥＣＵ６に送信する。

通信演算ＥＣＵ６は、上記センサ３６〜３９の検出信号をＡ／Ｄ変換するインターフェースや、後述の信号生成処理を実行するＣＰＵや、上記処理の下で決定した態様で赤外線送信器５を駆動する駆動回路や、各種データを記憶する記憶装置等で構成されるマイクロコンピュータである。

通信演算ＥＣＵ６の記憶装置には、後述のデータ信号生成処理の実行に係るプログラムや、車両Ｖが製造された時点で搭載されていた水素タンク３１〜３３の容積値を含む固有情報が記録されている。上述のように水素タンクシステム３は、複数の水素タンク３１〜３３を組み合わせて構成されている。したがってこの固有情報に含まれる容積値とは、製造時点における水素タンク３１〜３３の容積値の合計値である。なお水素タンクの容積値の他、例えば、容積値から既知の変換則によって導出される容量や水素タンクの材質等、製造時点で特定できる水素タンクに関する情報は、この固有情報に含まれる。

通信演算ＥＣＵ６のＣＰＵは、例えば、レセプタクル３４を保護するフューエルリッドが開かれたことを契機として、送信器５から水素ステーション９へ送信される信号を生成する信号生成処理を開始する。また通信演算ＥＣＵ６のＣＰＵは、例えば上記ノズルがレセプタクル３４から取り外されたり、フューエルリッドが閉じられたりすることより水素ガスの充填が不可能な状態になったことを契機として、信号生成処理を終了する。

信号生成処理では、水素タンク内の温度の現在の値に相当する温度送信値Ｔ_ＩＲと、水素タンク内の圧力の現在の値に相当する圧力送信値Ｐ_ＩＲと、水素タンクの容積の現在の値に相当する容積送信値Ｖ_ＩＲと、が所定の周期毎に取得され、これら値（Ｔ_ＩＲ，Ｐ_ＩＲ，Ｖ_ＩＲ）に応じたデータ信号を生成する。温度送信値Ｔ_ＩＲは、例えば、上記３つの温度センサ３６〜３８の検出値の平均値や、３つの温度センサ３６〜３８のうち予め定められた代表のものの検出値が用いられる。圧力送信値Ｐ_ＩＲは、例えば、その時の圧力センサ３９の検出値が用いられる。また容積送信値Ｖ_ＩＲは、上述の記憶装置に記録されたものが用いられる。なお、これら送信値Ｔ_ＩＲ，Ｐ_ＩＲ，Ｖ_ＩＲのうち、Ｔ_ＩＲ及びＰ_ＩＲは充填中に逐次変化する値であるが、Ｖ_ＩＲは充填中に変化しない固定値である。

また信号生成処理では、上述のように周期的に取得される温度送信値Ｔ_ＩＲ及び圧力送信値Ｐ_ＩＲと各送信値に対して予め定められたアボート閾値とを比較しており、充填中にこれら送信値の何れかがアボート閾値を超えた場合には、水素ステーション９に対して充填の終了を要請するためのアボート信号を生成する。

通信演算ＥＣＵ６の駆動回路は、上記信号生成処理によって生成されたデータ信号及びアボート信号に応じて赤外線送信器５を駆動（点滅）させる。これにより、水素タンク内の状態に関する状態情報（すなわち、温度送信値Ｔ_ＩＲ及び圧力送信値Ｐ_ＩＲ等）並びに固有情報（すなわち、容積送信値Ｖ_ＩＲ等）を含んだデータ信号や、アボート信号が水素ステーション９へ送信される。

＜水素ステーション９の構成＞
水素ステーション９は、車両Ｖに供給するための水素ガスが高圧で貯蔵されている蓄圧器９１と、蓄圧器９１から作業者が直接操作する充填ノズル９２に至るステーション配管９３と、ステーション配管９３に設けられた流量制御弁９４と、ステーション配管９３を流れる水素ガスの流量（以下、「充填流量」ともいう）を制御するために流量制御弁９４を開閉するステーションＥＣＵ９５と、を備える。

ステーション配管９３のうち流量制御弁９４と充填ノズル９２の間には、水素ガスを冷却するプレクーラ９６が設けられる。このようなプレクーラ９６によって、車両Ｖの水素タンクに充填される手前の位置で水素ガスを冷却することにより、水素タンク内の水素ガスの温度上昇を抑制し、ひいては急速充填が可能となる。

水素ステーション９には、水素ガスの充填に関わる様々な物理量を検出するために複数のセンサ９７ａ，９７ｂ，９７ｃが設けられている。

質量流量計９７ａは、ステーション配管９３のうち流量制御弁９４とプレクーラ９６との間に設けられ、ステーション配管９３を流れる水素ガスの質量流量を検出し、検出値に対応した信号をステーションＥＣＵ９５に送信する。

ガス温度センサ９７ｂは、ステーション配管９３のうちプレクーラ９６と充填ノズル９２との間に設けられ、ステーション配管９３内の水素ガスの温度を検出し、検出値に対応した信号をステーションＥＣＵ９５に送信する。

ステーション圧力センサ９７ｃは、ステーション配管９３のうちプレクーラ９６と充填ノズル９２との間に設けられ、ステーション配管９３内の水素ガスの圧力を検出し、検出値に対応した信号をステーションＥＣＵ９５に送信する。

充填ノズル９２には、車両Ｖから送信されるデータ信号を受信するための赤外線受信器９８が設けられている。赤外線受信器９８は、充填ノズル９２をレセプタクル３４に接続すると、車両Ｖの赤外線送信器５と対向し、これら送信器５及び受信器９８の間で赤外線を介したデータ信号及びアボート信号（以下、「データ信号等」という）の送受信が可能となる。赤外線受信器９８は、赤外線送信器５から送信されるデータ信号等を受信すると、これをステーションＥＣＵ９５に送信する。これにより、通信演算ＥＣＵ６とステーションＥＣＵ９５との間において、データ信号等の送受信が実現される。以下では、これら送信器５及び受信器９８の間での赤外線を介したデータ信号等の送受信を、ＩＲ通信ともいう。

ステーションＥＣＵ９５は、充填ノズル９２が車両Ｖのレセプタクル３４に接続されることにより水素ガスの充填及びＩＲ通信が可能となったことに応じて、ステーション側に設けられたセンサ９７ａ〜９７ｃの出力やＩＲ通信によってデータ信号等を用いることにより、以下で説明する手順に従って水素ガスを充填する。

図２は、車両に搭載された水素タンクと水素ステーションの蓄圧器とを、ステーション配管と車両配管とを直列に接続して構成される１本の配管で接続し、タンク内に水素ガスを充填する水素ガス充填方法の具体的な手順を示すフローチャートである。図２の処理は、利用者が水素ステーションにおいて車両に水素ガスを充填するための所定の操作を行ったことに応じて開始する。なお図２には、水素タンクを満充填にするまでに行われる処理のうち、水素ガスの充填を開始してから後述の１回目のリークチェックが終わるまでの充填初期に行われる処理のみ図示する。

図３は、図２のフローチャートに従って水素ガスを充填した場合におけるステーション圧及びタンク圧の時間変化を示すタイムチャートである。以下、適宜図３のタイムチャートを参照しながら、図２の水素ガス充填方法について詳細に説明する。

始めにＳ１では、水素ステーションは、所定の時間にわたりプレショット充填を実行した後、ステーション圧センサの出力を用いることによって初期タンク圧Ｐｉの値を取得した後、Ｓ２に移る。ここでプレショット充填とは、数秒間にわたって数十〜数百［ｇ］程度の量の水素ガスを試験的に充填することにより、ステーション配管内と水素タンク内とを均圧化する処理である。このようなプレショット充填を行った後は、ステーション圧とタンク圧とが等しくなっているため、ステーション圧センサを用いてタンク圧を取得することができる。以下では、このプレショット充填が終わった後の充填を本充填とする。また以下では、Ｓ１で取得した初期タンク圧Ｐｉを本充填開始直前のタンク圧とする。

Ｓ２では、水素ステーションは、流量制御弁を開いて本充填を開始するとともに、本充填を開始することに伴うステーション圧のステップ状の上昇を利用することにより、水素ガスの供給時に水素ステーションと水素タンクとを接続する配管で発生する圧力損失を推定する。

図４は、Ｓ２において本充填を開始する前後におけるステーション圧及びタンク圧の変化を示すタイムチャートであり、圧力損失を推定する手順を説明するための図である。

図４に示すように、本充填を開始すべく水素ステーションの流量制御弁を開くと、ステーション配管及び車両配管を介して水素ステーションの蓄圧器から水素タンクへ水素ガスが流れ込むため、タンク圧が徐々に上昇し始める。また上記配管では圧力損失が発生するため、図４に示すようにステーション圧とタンク圧とでは、水素ガスの流量に応じて大きくなる圧力差が発生する。このため、本充填を開始する前後においてステーション圧はステップ状に上昇し、その後はタンク圧の上昇にあわせて緩やかに上昇する。

ここで、蓄圧器と水素タンクとを単なる筒状の配管で接続したものと仮定した場合、蓄圧器から水素タンクへ質量流量ｄｍの下で水素ガスを供給した時に、圧力損失によってステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎとタンク圧Ｐｔａｎｋの間で発生する圧力差（ΔＰ＝Ｐｓｔａｔｉｏｎ−Ｐｔａｎｋ）は、下記の簡易式（１）によって表される。

上記式（１）において、“ρ”は配管内の平均ガス密度であり、その値は水素ガスの温度Ｔｇａｓ及び圧力差ΔＰを引数として予め定められた演算式やマップを検索することによって算出することができる。また上記式（１）において“ｋ”は配管を水素ガスが流れることによって発生するエネルギー損失、すなわち圧力損失の大きさを表す圧損係数である。圧損係数ｋの具体的な値は、配管の形状や構造等に由来するため、水素ステーションに接続される車両の機種によって異なる。また、上記式（１）を変形すると、未知の圧損係数ｋの値を算出するための下記式（２）が導出される。

上記式（２）の右辺のうち、水素ガスの質量流量ｄｍ、ステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎ、水素ガスの温度Ｔｇａｓ、及び平均ガス密度ρの関数形は、何れも任意の時刻においてステーション側でその値を取得することができる。すなわち、水素ガスの質量流量ｄｍの値は水素ステーションに設けられた質量流量計を用いて、ステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎの値は水素ステーションに設けられたステーション圧力センサを用いて、水素ガスの温度Ｔｇａｓの値は水素ステーションに設けられたガス温度センサを用いてそれぞれ取得することができる。また平均ガス密度ρの関数形については予め実験を行っておくことにより特定することができる。

任意の時刻において水素ステーション側で取得することができないのは上記式（２）の右辺のうちタンク圧Ｐｔａｎｋのみである。水素ステーションでは、水素ガスの供給開始前後では、ステーション圧がタンク圧とほぼ等しい状態からステップ状に上昇することを利用して、未知のタンク圧を推定する。すなわち、例えば図４に示すように、時刻ｔ１に水素ガスの供給を開始した場合、その直後の時刻ｔ２におけるタンク圧Ｐｔａｎｋの値（図４中、三角印）は、供給開始直前の時刻ｔ０におけるステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎの値で置き換えることは妥当である。

Ｓ２において、圧損係数ｋの値を算出する具体的な手順は、以下の通りである。
始めに水素ステーションは、水素ガスの供給開始直前の時刻ｔ０におけるステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎの値（以下、これを“Ｐ０”と表記する）を取得する。次に時刻ｔ１では、水素ステーションは、流量制御弁を開き水素ガスの供給を開始する。次に水素ステーションは、水素ガスの供給開始直後の時刻ｔ２におけるステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎの値と、これと同時刻ｔ２における水素ガス温度Ｔｇａｓ及び質量流量ｄｍの値を取得し、これらを下記式（３）に代入することにより、圧損係数ｋの値を算出する。

図２に戻り、以上のようにして本充填を開始するとともに圧力損失を推定した後、水素ステーションは、所定の目標流量で水素ガスの質量流量を制御しながら充填を継続する（Ｓ３参照）。なお、後述のステップＳ７において水素ステーション側で水素タンクの正確な容積を把握できるまでの間、水素ガスの目標流量は、水素ステーションにおいて車種によらずに定めてもよいし、車両から送信され水素ステーションで受信した容積送信値Ｖ_ＩＲを用いて定めてもよい。

Ｓ４では、水素ステーションは、Ｓ２で取得した圧損係数ｋを用いて水素ガスの供給中におけるタンク圧Ｐｔａｎｋを推定する。すなわち、質量流量ｄｍで水素ガスを供給している間におけるタンク圧Ｐｔａｎｋの値は、その時のステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎの値及びＳ２で取得した圧損係数ｋの値を用いて、式（１）を変形して得られる下記式（４）によって算出することができる。

Ｓ５では、水素ステーションは、Ｓ４で推定した現時点でのタンク圧ＰｔａｎｋからＳ１で取得した初期タンク圧Ｐｉを減算して得られる増加圧δＰが、１回目のリークチェックを開始するタイミングを測定するために定められた所定の上限圧ΔＰｍａｘ（例えば、５ＭＰａ）の近傍まで到達したか否かを判定する（δＰ≒ΔＰｍａｘ？）。Ｓ５の判定がＮＯである場合には、水素ステーションは、Ｓ３に戻り充填を継続する。Ｓ５の判定がＹＥＳである場合には、水素ステーションは、１回目のリークチェックを行うために水素ガスの充填を一時停止する（Ｓ６参照）。

以上のように本実施形態の水素ステーションでは、本充填の開始時に圧力損失を推定し、これを用いて水素ガスの充填中におけるタンク圧Ｐｔａｎｋ及び充填による増加圧δＰを推定し、さらに増加圧δＰが上限圧ΔＰｍａｘの近傍に到達した時に充填を停止することにより、水素ステーション側では直接取得することができないタンク圧Ｐｔａｎｋを上限圧ΔＰｍａｘによって定められる目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）に一致するように水素ガスの充填を停止することができる。

Ｓ７では、水素ステーションは、下記式（５−１）を用いることによって、現在接続されている水素タンクの容積Ｖ［ｍ^３］を推定する。

推定式（５−１）の右辺において、“Σｍ”［ｋｇ］は、本充填を開始してから（すなわち、Ｓ１において初期タンク圧Ｐｉを測定してから）Ｓ６において充填を一時停止するまでの間に水素タンクに充填された水素量［ｋｇ］であり、その値は水素ステーションに設けられた質量流量計の出力を積分することによって算出される。また“ｄσ”［ｋｇ／ｍ^３］は、Ｓ２において本充填を開始してからＳ６において充填を一時停止するまでの間における水素タンク内の水素ガス密度変化量［ｋｇ／ｍ^３］であり、その値は、式（５−２）に示すように、充填を一時停止した時における水素タンク内の水素ガス密度（σ（Ｐｅ，Ｔｅ））から本充填を開始した時における水素タンク内の水素ガス密度（σ（Ｐｉ，Ｔｉ））を減算することによって算出される。

また、各時刻における水素タンク内の水素ガス密度は、各時刻におけるタンク圧及びタンク温度に基づいて予め定められたマップを検索することによって算出することができる。ここで、充填を開始した時におけるタンク温度Ｔｉの値には、例えばＳ１においてプレショット充填を行う前に車両から送信され水素ステーションで受信した温度送信値Ｔ_ＩＲが用いられる。また充填を開始した時におけるタンク圧Ｐｉの値には、Ｓ１において取得した値が用いられる。充填を停止した時におけるタンク温度Ｔｅの値には、例えばＳ６において車両から送信され水素ステーションで受信した温度送信値Ｔ_ＩＲが用いられる。また充填を停止した時におけるタンク圧Ｐｅの値には、例えばＳ６において水素ガスの充填を一時的に停止した後、ステーション配管内と水素タンク内とが均圧化された状況下においてステーション圧センサの出力を用いて取得した値が用いられる。

ここで、式（５−１）によって推定される水素タンクの容積Ｖの誤差の要因について検討する。式（５−１）によって容積Ｖを推定する場合、上述のように水素ガスの充填を停止した後における圧力センサの出力が用いられる。ところが、図１５を参照して説明したように、容積Ｖの推定における誤差の最も大きな要因は圧力系ヒステリシス誤差に由来しており、またこの誤差は充填差圧（ｄＰ）を高くするほど小さくなる。そこで本実施形態の水素ステーションでは、上述のように上限圧ΔＰｍａｘによって定められた目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）に精度良く一致するように適切なタイミングで充填を停止させてから、容積Ｖを推定する。換言すれば、上限圧ΔＰｍａｘによって許容されている範囲内で最大限タンク圧を上昇させてから容積Ｖを推定するので、圧力系ヒステリシス誤差を最小限にし、結果として水素タンクの容積Ｖを精度良く推定することができる。

その後水素ステーションは、１回目のリークチェックを行った後（Ｓ８参照）、漏れの無いことが確認された場合には水素ガスの充填を再開する。なお、１回目のリークチェックが終わった後は、Ｓ７において推定した水素タンクの容積Ｖを用いることによって、この容積Ｖに適した態様で水素ガスの流量を制御したり、充填を終了するタイミングを決定したりすることが好ましい。

以上、本発明の第１実施形態に係る水素ガス充填方法について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。具体的には、以下のような変形例１〜４や、これら変形例１〜４を組み合わせたものが考えられる。

＜変形例１＞
上述の第１実施形態の水素ガス充填方法では、図４を参照して説明したように、水素ガスの供給開始の直後の１点の取得時刻ｔ２におけるステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎや質量流量ｄｍの値を用いることによって圧損係数ｋの値を算出したが、本発明はこれに限らない。

例えば図５に示すように、水素ガスの質量流量の立ち上がりを緩やかにし、水素ガスの質量流量が０から所定の目標流量に到達するまでの間の２以上の異なる取得時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４においてステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎや質量流量ｄｍの値を取得し、各時刻ｔ２〜ｔ４で推定式（３）を用いて圧損係数の値を算出し、さらにこれらを平均することによって圧損係数ｋの値を算出してもよい。

水素ステーションに設けられる流量制御弁の仕様上、水素ガスの質量流量を図４に示すように所定の目標流量まで速やかに増加させることができないものも存在する。本変形例１に示す水素ガス充填方法は、このような流量制御弁が用いられる場合に好適である。

＜変形例２＞
上述の第１実施形態の水素ガス充填方法では、図２及び図３を参照して説明したように、タンク圧Ｐｔａｎｋを目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）に一致させるため、圧力損失を用いて推定した水素タンクの増加圧δＰが上限圧ΔＰｍａｘの近傍まで到達した時に水素ガスの充填を一時停止したが、タンク圧Ｐｔａｎｋを目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）に一致させる方法はこれに限らない。

例えば図６に示すように、水素ガスの供給中にステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎがタンク圧Ｐｔａｎｋに対して定められた目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）の近傍に到達した後、ステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎをこの目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）の近傍に維持しながら、水素タンクの増加圧δＰが上限圧ΔＰｍａｘに到達するまで水素ガスの供給を継続することにより、所定時間をかけてタンク圧Ｐｔａｎｋを上記目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）に収束させてもよい。以下では、このような充填方法をステーション圧一定充填ともいう。

ここでステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎを一定に維持しながら充填を継続すると、ステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎとタンク圧Ｐｔａｎｋとの圧力差が徐々に小さくなるため、水素ガスの質量流量も徐々に小さくなる。したがって、図６のステーション圧一定充填を行うと、その分だけ充填にかかる時間が長くなるというデメリットがある。しかしながら、以下で説明するようにステーション圧一定充填を行うと、タンク圧Ｐｔａｎｋをより高い精度で目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）に一致させることができるというメリットもある。

水素ステーションの蓄圧器と車両の水素タンクとを接続する配管には、逆止弁が設けられるが、この逆止弁の作動圧にはばらつきがある。このため、図３に示すようにタンク圧が目標に一致するように適切なタイミングで水素ステーションの流量制御弁を閉め切ったとしても、逆止弁の作動圧のばらつきに起因して実際のタンク圧が目標からずれてしまう場合がある。これに対し図６に示すステーション圧一定充填を行うと、水素ステーションの流量制御弁は小さな開度に維持しながら、すなわち逆止弁が開いた状態を維持したまま、タンク圧を目標に徐々に近づけることができる。したがって図６のステーション圧一定充填を行うことにより、充填にかかる時間が長くなるものの、タンク圧を精度良くその目標に一致させることができるので、結果として水素タンクの容積の推定精度も向上できる。

＜変形例３＞
上述の第１実施形態の水素ガス充填方法では、図４を参照して説明したように、本充填を開始する際にステーション圧がステップ状に増加することを利用して圧力損失を推定した。しかしながらこの手法は、ステーション圧がステップ状に増加する時に限らず、例えばステーション圧がステップ状に減少する時にも適用することができる。

図７には、１回目のリークチェックを行うために水素ガスの供給を一時的に停止する前後で取得したステーション圧等を用いることによって、水素ガスの供給開始時とは別のタイミングで圧力損失を推定した場合を示す。

この場合、始めに水素ステーションは、水素ガスの供給停止直前の時刻ｔ０におけるステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎの値と、これと同時刻ｔ０における水素ガス温度Ｔｇａｓ及び質量流量ｄｍの値を取得する。次に時刻ｔ１では、水素ステーションは、流量制御弁を閉じ水素ガスの供給を停止する。次に水素ステーションは、水素ガスの供給停止直後の時刻ｔ２におけるステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎの値（本変形例では、これを“Ｐ０”と表記する）を取得する。次に水素ステーションは、ここで取得したステーション圧や質量流量等の値を、上記推定式（３）に代入することにより、圧損係数ｋの値を算出する。

なお本変形例３の水素ガス充填方法によれば、１回目のリークチェックを実行するために水素ガスの供給を停止する際に圧力損失を推定するので、この推定結果を用いてタンクの増加圧δＰを推定し、水素ガスの供給を停止するタイミングを決定することはできない。しかしながら、水素ガスの供給を停止した後、例えば水素ガスの供給開始時に得られた結果と水素ガスの供給停止時に得られた結果との平均値を算出することによって圧損係数の値を改めて算出しなおすことにより推定精度をさらに向上することができる。また１回目のリークチェックが終わった後、水素ガスの充填を再開する際には、このようにして算出しなおした圧損係数の値を用いることによって充填完了時におけるタンク圧の判定精度を向上できる。

＜変形例４＞
上述の第１実施形態の水素ガス充填方法では、図２及び図３を参照して説明したように、水素ステーションに接続された水素タンクがどのような種類のものであるかに関わらず、Ｓ２〜Ｓ７の処理を実行し、水素タンクの容積を推定した。この際、水素タンクの容積を精度良く推定するためには、圧力系ヒステリシス誤差ができるだけ小さくなるよう、できるだけ多くの量の水素ガスを充填することが重要となる。上述の第１実施形態では、以上のような事情を考慮して、タンク圧が上限圧ΔＰｍａｘによって定められる目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）に到達するまで水素ガスを充填させてから、水素タンクの容積を推定する。このため第１実施形態の水素ガス充填方法では、水素ステーションに接続される水素タンクの種類によらずある程度の量の水素ガスが試験的に充填される。しかしながら水素タンクの容積が過剰に小さいものである場合、水素ガスを充填するとタンク圧や温度は急に上昇してしまうため、Ｓ２〜Ｓ８の処理を実行することは適切でない場合がある。

そこで水素タンクの容積が過剰に小さい場合があることを想定して、タンク圧が目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）に到達する前にタンクの容積を推定したり、Ｓ７において正確な容積が判明するまでの間は水素ガスの質量流量を抑制したりすることが考えられる。しかしながら前者の場合には誤差が大きくなってしまい水素タンクの容積の推定精度が落ちてしまう。また後者の場合には、充填にかかる時間が長くなってしまうおそれがある。したがって、Ｓ２〜Ｓ８の処理を行う前に、容積を大まかに推定し、接続されている水素タンクが過剰に小さい小タンクであることが判明した場合には、このような小タンクにはＳ２〜Ｓ７の処理を実行しないようにすることが合理的である。ここで小タンクとは、具体的には例えば二輪燃料電池車両に搭載される水素タンクが想定される。

図８は、第１実施形態の水素ガス充填方法に、小タンクを排除する工程（Ｓ１１参照）を追加したフローチャートである。
図９は、図８のフローチャートに従って水素ガスを充填した場合におけるステーション圧及びタンク圧の時間変化を示すタイムチャートである。以下、適宜図９のタイムチャートを参照しながら、図８の水素ガス充填方法について詳細に説明する。

Ｓ１のプレショット充填が終わった後、水素ステーションは、現在接続されている水素タンクが所定容積以下の小タンクであるか否かを判定する（Ｓ１１参照）。Ｓ１１の判定がＹＥＳである場合、すなわち水素タンクが小タンクであると判定された場合には、Ｓ２〜Ｓ８の処理を実行せずに水素ガスの充填を中止するか又は小タンクに適した他の充填方法に切り替えて水素ガスの充填を継続する。またＳ１１の判定がＮＯである場合、すなわち水素タンクが小タンクでないと判定された場合には、Ｓ２からＳ８の処理を実行する。

ここで、Ｓ１１において小タンクであるか否かを判定する方法について説明する。
第１に、車両から送信され水素ステーションで受信した容積送信値Ｖ_ＩＲを用いることが考えられる。この場合、水素ステーションは、容積送信値Ｖ_ＩＲが予め定められた閾値以下である場合には水素タンクは小タンクであると判定し、容積送信値Ｖ_ＩＲが上記閾値より大きい場合には水素タンクは小タンクでないと判定する。

第２に、所定時間にわたって水素ガスを供給した時におけるステーション圧の上昇幅を用いることが考えられる。この場合、水素ステーションは、図９に示すように、所定時間（時刻ｔ９１〜ｔ９２）にわたり質量一定又は質量流量一定の充填を行った時のステーション圧の上昇幅を取得し、この上昇幅が所定幅以下である場合には水素タンクは小タンクであると判定し、上昇幅が所定幅より大きい場合には小タンクでないと判定する。

＜変形例５＞
上述の変形例４では、本充填を開始し、圧力損失を推定する前に小タンクであるか否かを判定したが、この場合、図９において時刻ｔ９１〜９２に示すようにある程度の時間がかかってしまう。一方、第１実施形態の水素ガス充填方法では、図４に示すように本充填を開始した後、直ちに圧力損失を取得することができる。また、後述のように圧力損失を用いれば、正確な容積は分からずとも現在接続されているタンクが小タンクであるか否かを大まかに判定することができる。したがって、圧力損失を用いて小タンクであるか否かを判定すれば、図９の時刻ｔ９１〜９２に示す待ち時間が不要となる。

図１０は、第１実施形態の水素ガス充填方法に、小タンクを排除する工程（Ｓ４１参照）を追加したフローチャートである。

Ｓ２において本充填を開始すると共に圧損係数ｋの値を算出した後、水素ステーションは、Ｓ２において取得した圧損係数ｋ及び上記式（５−１）及び（５−２）の推定式を用いることによって充填を継続しながら、現在接続されている水素タンクの容積を推定する（Ｓ４１参照）。ここで、式（５−１）における水素量Σｍの具体的な値は、本充填を開始してから、現時点までの間の質量流量計の出力を積分することによって算出される。また式（５−１）及び（５−２）における水素ガス密度変化量ｄσの具体的な値は、充填継続中である現時点における水素タンク内の水素ガス密度（σ（Ｐｅ，Ｔｅ））から本充填を開始した時における水素ガス密度（σ（Ｐｉ，Ｔｉ））を減算することによって算出される。また各時刻における水素ガス密度は、Ｓ７の処理と同様に、各時刻におけるタンク圧及びタンク温度に基づいてマップを検索することで算出できる。この際、充填継続中である現時点でのタンク圧及びタンク温度は、それぞれＳ２において取得した圧損係数ｋを用いて式（４）によって推定されるタンク圧及び現時点において車両から送信される温度送信値が用いられる。

Ｓ４２では、Ｓ４１で推定した容積を用いて現在接続されている水素タンクが小タンクであるか否かを判定する。Ｓ４２の判定がＹＥＳである場合、すなわち水素タンクが小タンクであると判定された場合には、Ｓ３〜Ｓ８の処理を実行せずに水素ガスの充填を中止するか又は小タンクに適した他の充填方法に切り替えて水素ガスの充填を継続する。またＳ４２の判定がＮＯである場合、すなわち水素タンクが小タンクでないと判定された場合には、Ｓ３からＳ８の処理を実行する。なおＳ４１では、タンク内の圧力が低い状態でかつ充填を継続しながら容積を推定するため、その推定精度はＳ７の処理に比べると低くなるものの、現在接続されているタンクが小タンクであるか否かを大まかに判定するには十分である。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１１は、本実施形態に係る水素ガス充填方法の具体的な手順を示すフローチャートである。
図１２は、図１１のフローチャートに従って水素ガスを充填した場合におけるステーション圧及びタンク圧の時間変化を示すタイムチャートである。以下、適宜図１２のタイムチャートを参照しながら、本実施形態の水素ガス充填方法について詳細に説明する。また図１１のフローチャートにおいて、図２と同じ処理については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

先ず、上述の第１実施形態の水素ガス充填方法では、図４を参照して説明したように、本充填を開始する際にステーション圧がステップ状に増加することを利用して圧力損失を推定し（図２のＳ２参照）、この推定結果を用いて水素タンクの増加圧δＰを推定し（図２のＳ５参照）、この推定結果から特定されるタイミングで水素ガスの充填を停止した（図２のＳ６参照）。本実施形態の水素ガス充填方法は、第１実施形態の水素ガス充填方法と、圧力損失を推定するタイミングが異なる。より具体的には、図１２に示すように、本充填を開始してから、１回目のリークチェックを行うために水素ガスの充填を停止するまでの間に、圧力損失を推定するために水素ガスの充填を一時的に停止する工程を含む点が第１実施形態の水素ガス充填方法と異なる。

Ｓ１においてプレショット充填が終わった後、Ｓ２１では、水素ステーションは、流量制御弁を開いて本充填を開始し、Ｓ２２に移る。Ｓ２２では、水素ステーションは、本充填を開始してから所定時間が経過したか否かを判定する。ここで所定時間が経過した場合には、水素ステーションは、変形例３と同様の手順によって水素ガスの供給を一時的に停止するとともに、この水素ガスの供給停止前後で取得したステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎや質量流量ｄｍの値を用いることによって圧損係数ｋの値を算出する（Ｓ２３参照）。

より具体的にはＳ２３では、始めに水素ステーションは、水素ガスの供給停止直前の時刻ｔ０におけるステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎの値と、これと同時刻ｔ０における水素ガス温度Ｔｇａｓ及び質量流量ｄｍの値を取得する。次に時刻ｔ１では、水素ステーションは、流量制御弁を閉じ水素ガスの供給を停止する。次に水素ステーションは、水素ガスの供給停止直後の時刻ｔ２におけるステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎの値（本実施形態では、これを“Ｐ０”と表記する）を取得する。次に水素ステーションは、ここで取得したステーション圧や質量流量等の値を、上記推定式（３）に代入することにより、圧損係数ｋの値を算出する。以上の手順によって圧損係数ｋの値を算出した後は、水素ステーションは、図２と同じ処理Ｓ３〜Ｓ８を実行することによって水素タンクの容積Ｖを推定する。

本実施形態の水素ガス充填方法によれば、第１実施形態の水素ガス充填方法と比較して余分に流量制御弁を開閉する必要があるため、その分だけ充填時間が延びるというデメリットがあるが、この点を除けば第１実施形態の水素ガス充填方法と同様にタンク圧を精度良く目標に一致させることができる。また、本実施形態の水素ガス充填方法は、何等かの理由によって第１実施形態の水素ガス充填方法のように水素ガスの供給開始時点で圧力損失を推定できなかった場合にメリットがある。

以上、本発明の第２実施形態に係る水素ガス充填方法について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１３は、本実施形態に係る水素ガス充填方法の具体的な手順を示すフローチャートである。
図１４は、図１３のフローチャートに従って水素ガスを充填した場合におけるステーション圧及びタンク圧の時間変化を示すタイムチャートである。以下、適宜図１４のタイムチャートを参照しながら、本実施形態の水素ガス充填方法について詳細に説明する。また図１３のフローチャートにおいて、図２と同じ処理については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

先ず、上述の第１及び第２実施形態の水素ガス充填方法では、充填を開始したり停止したりする際にステーション圧がステップ状に変化することを利用して圧力損失を推定し、この推定結果を用いることによって、タンク圧が所定の目標圧に一致するように適切なタイミングで水素ガスの供給を停止している。本実施形態の水素ガス充填方法は、圧力損失を推定することなくタンク圧が目標圧に一致するように適切なタイミングで水素ガスの供給を停止するものである点で第１及び第２実施形態の水素ガス充填方法と異なる。

Ｓ１においてプレショット充填が終わった後、Ｓ３１では、水素ステーションは流量制御弁を開いて本充填を開始し、Ｓ３２に移る。Ｓ３２では、水素ステーションは、図１４に示すようにステーション圧が所定の傾きで上昇するように水素ガスの流量を制御する。そして水素ステーションは、現在のステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎの値を取得し（Ｓ３３参照）、これがタンク圧に対して設定される目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）の近傍まで到達したか否かを判定する（Ｓ３４参照）。水素ステーションは、Ｓ３４の判定がＮＯである場合にはＳ３２に戻って充填を継続し、Ｓ３４の判定がＹＥＳである場合にはＳ３５に移る。

Ｓ３５では、水素ステーションは、ステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎを目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）に維持しながら水素ガスを供給し続けるステーション圧一定充填を所定時間にわたり実行する。このようなステーション圧一定充填を行い続けると、図１４に示すようにステーション圧Ｐｓｔａｔｉｏｎは目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）に維持されたまま、タンク圧Ｐｔａｎｋは上昇し目標圧（ΔＰｍａｘ＋Ｐｉ）へ漸近的に近づく。またタンク圧が目標圧に近付くに従い、水素ガスの流量は漸近的に０へ近づく。そこでＳ３５では、水素ステーションは、ステーション圧一定充填を開始してから所定時間が経過したことに応じて、より具体的にはタンク圧が目標圧にある程度近づいたと判断できる時間が経過したことに応じてステーション圧一定充填を終了し、次のＳ３６に移る。

Ｓ３６では、水素ステーションは、水素ガスの質量流量を所定の最小流量で維持しながら水素ガスの充填を継続する最小圧損充填を所定時間にわたり実行する。その後、水素ステーションは、図２のフローチャートと同様に、水素ガスの充填を一時停止し（Ｓ６参照）、タンクの容積Ｖを推定し（Ｓ７参照）、１回目のリークチェックを行う（Ｓ８参照）。ここでＳ３６における最小流量とは、具体的には、水素ステーションと水素タンクとを接続する配管に設けられる逆止弁が開いた状態で維持される程度以上であり、かつ水素ステーションに用いられている装置で安定した流れ（ほぼ一定の流量）を保てる程度の大きさをいう。Ｓ３５においてステーション圧一定充填を所定時間にわたって行い、タンク圧を目標圧にある程度近づけた後に、このような最小圧損充填を行うことにより、逆止弁の作動圧のばらつきを抑制し、さらに高い精度でタンク圧を目標圧に一致させることができる。またＳ３５のステーション圧一定充填を行うと水素ガスの流量は漸近的に０へ近づくため、タンク圧を目標圧に収束させるには時間がかかるおそれがある。本実施形態では、ステーション圧一定充填を所定時間にわたって行い、タンク圧が目標圧に収束する前に最小圧損充填に切り替えることにより、タンク圧を目標圧に近づけつつ、充填にかかる時間を短くできる。

以上、本発明の第２実施形態に係る水素ガス充填方法について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

Ｓ…水素充填システム
Ｖ…燃料電池車両
３１，３２，３３…水素タンク（タンク）
３５…車両配管（配管）
９…水素ステーション（供給源）
９３…ステーション配管（配管）
９７ａ…質量流量計
９７ｂ…ガス温度センサ
９７ｃ…ステーション圧力センサ

Claims (13)

1. ガスを貯蔵するタンクとガスの供給源とを配管で接続し、前記タンク内にガスを充填するガス充填方法であって、
   ガスの供給開始前に前記配管の前記供給源側の圧力である開始前上流圧力を取得する開始前上流圧取得工程と、
   前記開始前上流圧力を取得した後に前記供給源からのガスの供給を開始する供給開始工程と、
   ガスの供給開始後に前記配管の前記供給源側の圧力である開始後上流圧力を取得する開始後上流圧取得工程と、
   前記開始後上流圧力の取得時期と同時期におけるガスの流量である開始後流量を取得する開始後流量取得工程と、
   前記開始前上流圧力、前記開始後上流圧力及び前記開始後流量を用いて、ガスの供給時に前記配管で発生する圧力損失を推定する圧力損失推定工程と、
   前記圧力損失を用いて前記タンク内の圧力であるタンク圧が所定の目標圧に一致するようにガスの供給を停止する供給停止工程と、を備えることを特徴とするガス充填方法。
2. 前記圧力損失を用いてガスの供給中における前記タンク内の圧力であるタンク圧を推定するタンク圧推定工程と、
   前記ガスの供給を停止した後に、前記タンクの容積を推定する容積推定工程と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガス充填方法。
3. 前記供給停止工程では、ガスの供給中における前記供給源側の上流圧が前記目標圧に到達した後、前記上流圧を前記目標圧に維持しながら所定時間にわたりガスの供給を継続することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス充填方法。
4. 前記供給停止工程では、前記タンク圧推定工程において推定されたタンク圧が前記目標圧に一致するようにガスの供給を停止することを特徴とする請求項２に記載のガス充填方法。
5. ガスの供給停止前に前記配管の前記供給源側の圧力である停止前上流圧力を取得する停止前上流圧取得工程と、
   ガスの供給停止後に前記配管の前記供給源側の圧力である停止後上流圧力を取得する停止後上流圧取得工程と、
   前記停止前上流圧力の取得時期と同時期におけるガスの流量である停止前流量を取得する停止前流量取得工程と、
   前記停止前上流圧力、前記停止後上流圧力及び前記停止前流量を用いて、ガスの供給時に前記配管で発生する圧力損失を推定する停止時圧力損失推定工程と、をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のガス充填方法。
6. 前記開始後上流圧取得工程では、ガスの流量が０から所定の目標流量に到達するまでの間の２以上の異なる取得時期において前記開始後上流圧力を取得し、
   前記開始後流量取得工程では、前記各取得時期と同時期において前記開始後流量を取得し、
   前記圧力損失推定工程では、前記開始前上流圧力と、前記各取得時期に取得した前記開始後上流圧力及び前記開始後流量と、を用いて、ガスの供給時に前記配管で発生する圧力損失を推定することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のガス充填方法。
7. 前記タンクが搭載された車両から当該タンクの容積情報を受信する情報受信工程をさらに備え、
   前記供給開始工程においてガスの供給を開始してから前記供給停止工程においてガスの供給を停止するまでの間は、前記情報受信工程で受信した容積情報を用いてガスの流量を制御し、前記供給停止工程においてガスの供給を停止した後、再びガスの供給を開始した後は、前記容積推定工程で推定した容積情報を用いてガスの流量を制御することを特徴とする請求項２に記載のガス充填方法。
8. 前記開始前上流圧取得工程を行う前に前記タンクが所定容積以下の小タンクであるか否かを判定する小タンク判定工程をさらに備え、
   前記開始前上流圧取得工程、前記供給開始工程、前記開始後上流圧取得工程、前記開始後流量取得工程、前記圧力損失推定工程、及び前記供給停止工程は、前記小タンク判定工程において前記タンクが前記小タンクでないと判定された場合に実行し、前記タンクが前記小タンクであると判定された場合には実行しないことを特徴とする請求項１から７の何れかに記載のガス充填方法。
9. 前記小タンク判定工程では、所定期間にわたり所定の質量又は質量流量でガスを供給した時の前記配管の前記供給源側の圧力である供給源側の圧力の上昇幅を取得し、前記上昇幅が所定幅より大きい場合には前記タンクは前記小タンクであると判定し、前記上昇幅が前記所定幅以下である場合には前記タンクは前記小タンクでないと判定することを特徴とする請求項８に記載のガス充填方法。
10. 前記圧力損失推定工程の後、前記圧力損失を用いて前記タンクが所定容積以下の小タンクであるか否かを判定する小タンク判定工程をさらに備え、
    前記供給停止工程は、前記小タンク判定工程において前記タンクが前記小タンクでないと判定された場合に実行し、前記タンクが前記小タンクであると判定された場合には実行しないことを特徴とする請求項１から７の何れかに記載のガス充填方法。
11. ガスを貯蔵するタンクとガスを供給する供給源とを配管で接続し、前記タンク内にガスを充填するガス充填方法であって、
    前記供給源からのガスの供給を開始する供給開始工程と、
    ガスの供給停止前に前記配管の前記供給源側の圧力である停止前上流圧力を取得する停止前上流圧取得工程と、
    前記停止前上流圧力の取得時期と同時期におけるガスの流量である停止前流量を取得する流量取得工程と、
    前記停止前上流圧力を取得した後に前記供給源からのガスの供給を停止する一時停止工程と、
    ガスの供給停止後に前記配管の前記供給源側の圧力である停止後上流圧力を取得する停止後上流圧取得工程と、
    前記停止前上流圧力、前記停止後上流圧力及び前記停止前流量を用いて、ガスの供給時に前記配管で発生する圧力損失を推定する圧力損失推定工程と、
    前記圧力損失を用いて前記タンク内の圧力であるタンク圧が所定の目標圧に一致するようにガスの供給を停止する供給停止工程と、を備えることを特徴とするガス充填方法。
12. ガスを貯蔵するタンクとガスを供給する供給源とを配管で接続し、前記タンク内にガスを充填するガス充填方法であって、
    前記供給源からのガスの供給を開始する供給開始工程と、
    ガスの供給中に前記配管の前記供給源側の圧力である上流圧力を取得する上流圧取得工程と、
    前記上流圧が前記タンク内の圧力であるタンク圧に対して設定された所定の目標圧に到達した後、当該上流圧を前記目標圧に維持しながら所定時間にわたりガスを供給し続ける上流圧一定充填工程と、
    前記上流圧一定充填工程を行った後、前記供給源側からのガスの供給を停止する供給停止工程と、
    前記ガスの供給を停止した後における前記配管の前記供給源側の圧力に基づいて前記タンクの容積を推定する容積推定工程と、を備えることを特徴とするガス充填方法。
13. 前記供給停止工程では、前記上流圧一定充填工程を行った後、ガスの流量を所定の最小流量で維持しながら所定時間にわたりガスの供給を継続してから前記供給源側からのガスの供給を停止することを特徴とする請求項１２に記載のガス充填方法。
    

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